Andrea Ghez: Berburu lubang hitam yang supermasif

Bagaimana anda mengamati sesuatu yang tidak terlihat? Inilah pertanyaan mendasar seseorang yang tertarik untuk menemukan dan mempelajari lubang hitam. Karena lubang hitam adalah obyek dengan gaya gravitasi yang sangat besar sehingga tidak ada yang dapat lepas, bahkan cahaya sekalipun, jadi anda tidak dapat melihatnya secara langsung.

Jadi, cerita saya hari ini mengenai lubang hitam adalah tentang sebuah lubang hitam yang istimewa. Saya tertarik untuk mencari tahu apakah benar-benar ada, apa yang kita sebut lubang hitam "supermasif" di pusat galaksi kita. Dan alasan kenapa ini menarik, karena hal ini memberi kita kesempatan untuk membuktikan apakah obyek yang eksotik ini benar-benar ada. Dan yang kedua, hal ini memberi kita kesempatan untuk mengerti bagaimana lubang hitam supermasif ini berinteraksi dengan sekelilingnya, dan untuk mengerti bagaimana mereka mempengaruhi pembentukan dan evolusi galaksi tempat mereka berada.

Jadi, sebagai permulaan, kita mesti mengerti apa itu lubang hitam jadi kita bisa memahami bukti keberadaan lubang hitam. Lalu, apakah lubang hitam? Dalam banyak hal lubang hitam adalah obyek yang teramat sederhana, karena hanya ada tiga sifat yang dapat dijelaskan: massanya, putaran, dan muatannya. Dan saya hanya akan bicara mengenai massa. Jadi, dalam hal ini, lubang hitam sangat sederhana. Tapi dalam hal lain, obyek ini amat sangat rumit sehingga kita perlu fisika yang relatif eksotik untuk menjelaskannya, dan dalam hal tertentu mewakili kegagalan pengertian fisika kita tentang mengenai alam semesta ini.

Namun hari ini, apa yang saya ingin anda pahami mengenai lubang hitam, untuk membuktikan keberadaannya, adalah dengan menganggap lubang hitam sebagai obyek yang massanya dikurung dalam nol volume. Jadi, lepas dari apa yang saya akan ceritakan kepada anda mengenai sebuah obyek yang supermasif, dan sebentar lagi saya akan sampai pada arti sebenarnya, obyek ini tidak punya ukuran berhingga. Jadi, sedikit agak rumit.

Tapi untungnya ada ukuran berhingga yang dapat dilihat, yang dikenal sebagai radius Schwarzschild. Dan nama itu diambil dari orang yang menyadari mengapa radius itu penting. Radius ini maya, tidak nyata; lubang hitam tak memiliki ukuran. Jadi kenapa hal ini begitu penting? Ini penting karena ini menunjukkan kepada kita bahwa setiap obyek dapat menjadi lubang hitam. Itu berati anda, tetangga anda, ponsel anda, auditorium ini dapat menjadi lubang hitam jika anda mampu memampatkannya seukuran radius Schwarzschild.

Pada titik itu, apa yang akan terjadi? Pada titik itu gravitasi menang. Gravity mengalahkan semua gaya yang kita ketahui. Dan obyek itu akan dipaksa untuk terus runtuh menjadi obyek yang tak berhingga kecilnya. Dan kemudian jadilah sebuah lubang hitam. Jadi, jika saya memampatkan Bumi menjadi seukuran gula batu, Bumi akan menjadi sebuah lubang hitam, karena ukuran gula batu adalah radius Schwarzschild untuk Bumi.

Sekarang, kuncinya adalah menemukan berapakah radius Schwarzschild itu. Dan ternyata cukup sederhana saja. Angka ini hanya ditentukan oleh massa obyeknya. Obyek yang lebih besar punya radius Schwarzschild yang lebih besar. Obyek yang lebih kecil punya radius Schwarzschild lebih kecil. Jadi, seandainya saya ambil Matahari dan memampatkannya seukuran Universitas Oxford, Matahari akan jadi sebuah lubang hitam.

Jadi, sekarang kita paham apa itu radius Schwarzschild. Dan ini sebenarnya konsep yang cukup berguna, karena dengan angka itu kita tidak hanya tahu kapan lubang hitam akan terbentuk, Tapi juga memberi kita elemen kunci untuk membuktikan lubang hitam. Saya hanya perlu dua hal. Saya perlu mengerti massa obyek yang saya klaim sebagai lubang hitam, dan berapa radius Schwarzschild-nya. Dan karena massa ditentukan oleh radius Schwarzschild, jadi sebenarnya hanya satu hal saja yang saya perlu ketahui.

Jadi, tugas saya untuk meyakinkan anda bahwa lubang hitam itu ada adalah dengan menunjukkan suatu obyek yang terkurung dalam radius Schwarzschild-nya. Dan tugas anda hari ini adalah menjadi skeptik. Baiklah, sekarang saya akan berbicara mengenai lubang hitam yang tidak biasa; Saya akan berbicara mengenai lubang hitam supermasif.

Saya ingin bercerita sedikit tentang lubang hitam biasa, seumpama ada yang dapat disebut sebagai lubang hitam biasa. Sebuah lubang hitam biasa dianggap sebagai akhir masa hidup sebuah bintang yang sangat masif. Jadi, jika sebuah bintang memulai hidupnya dengan massa yang jauh lebih besar dari Matahari, bintang itu akan mengakhiri hidupnya dengan meledak dan meninggalkan supernova yang indah seperti terlihat di sini. Dan di dalam sisa-sisa supernova itu akan terdapat sebuah lubang hitam "kecil" yang memiliki massa kira-kira tiga kali masa Matahari. Dalam skala astronomi itu adalah lubang hitam yang teramat kecil.

Dan sekarang yang saya ingin bicarakan adalah lubang hitam supermasif. Dan lubang hitam supermasif diduga ada di pusat galaksi. Dan gambar indah yang diambil dengan Teleskop Antariksa Hubble ini menunjukkan berbagai bentuk dan ukuran galaksi. Ada yang besar. Ada yang kecil. Hampir semua obyek dalam gambar ini adalah galaksi. Dan ada bentuk spiral yang bagus di kiri atas. Dan ada ratusan miliar bintang dalam galaksi itu, jadi anda bisa mengira-ngira skala ukurannya. Dan semua cahaya yang kita lihat dari galaksi yang khas, yaitu jenis yang sekarang kita lihat di sini, berasal dari cahaya bintang-bintangnya. Jadi, kita melihat galaksi karena cahaya bintangnya.

Ada beberapa galaksi yang relatif eksotik. Saya suka menyebutnya primadona dunia galaksi, karena mereka seperti pamer keindahan. Dan kita menyebutnya inti galaksi aktif. Dan kita namakan demikian karena intinya, atau pusat galaksinya, sangat aktif. Jadi, di pusatnya itu, dari situlah sebenarnya sebagian besar cahaya bintang berasal. Tapi, apa yang sebenarnya kita lihat adalah cahaya yang tidak dapat dijelaskan sebagai cahaya bintang. Cahayanya jauh lebih enerjik. Bahkan, dalam beberapa contoh seperti yang kita lihat ini. Ada semburan yang keluar dari bagian tengah. Sekali lagi, sumber energi yang sukar dijelaskan jika anda hanya menganggap bahwa galaksi hanya terdiri dari bintang-bintang.

Jadi, orang menganggap bahwa ini mungkin ada lubang hitam supermasif yang menyedot materi jatuh ke dalamnya. Jadi, anda tidak bisa melihat lubang hitamnya, tapi anda dapat mengkonversi gaya gravitasi lubang hitam ke dalam cahaya yang kita lihat. Jadi, diperkirakan lubang hitam supermasif berada di pusat galaksi. Namun ini adalah argumen tidak langsung.

Namun demikian, argumen ini telah melahirkan gagasan bahwa bukan hanya primadona ini saja yang memiliki lubang hitam supermasif, tapi mungkin semua galaksi memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya. Dan jika hal itu betul -- Dan ini adalah contoh galaksi normal; yang kita lihat adalah cahaya bintang. Dan jika ada lubang hitam supermasif, yang mesti kita asumsikan adalah lubang hitam itu sedang diet. Karena itulah cara untuk menekan fenomena enerjik yang kita lihat di pusat galaksi yang aktif.

Jika kita mencari lubang hitam yang bersembunyi di pusat galaksi, tempat terbaik untuk mencari adalah galaksi kita sendiri, Bima Sakti. Dan ini adalah pusat Bima Sakti diambil dengan gambar berbidang lebar. Dan yang kita lihat adalah jajaran bintang-bintang. Dan itu karena kita tinggal di galaksi yang pipih, struktur yang menyerupai piringan. Dan kita tinggal di tengah-tengahnya, jadi ketika kita melihat ke pusat, kita melihat bidang ini yang menunjukkan bidang galaksi kita, atau garis yang menggambarkan bidang galaksi.

Nah, keuntungan dari mempelajari galaksi kita sendiri adalah karena inilah contoh terdekat dari pusat galaksi yang kita miliki, karena galaksi terdekat berikutnya berada 100 kali lebih jauh. Jadi, kita dapat melihat lebih banyak detil di galaksi kita daripada di tempat lain manapun. Dan seperti yang akan anda lihat sebentar lagi, kemampuan untuk melihat detil adalah kunci dari eksperimen ini.

Jadi, bagaimana astronom membuktikan bahwa ada massa yang teramat besar dalam volume yang kecil? Inilah tugas yang saya mesti tunjukkan hari ini. Dan metode yang digunakan adalah dengan mengamati bintang-bintang mengorbit lubang hitam. Bintang-bintang akan mengorbit lubang hitam persis seperti planet-planet mengorbit Matahari. Gaya tarik gravitasilah yang menyebabkan benda-benda ini mengorbit. Jika tidak ada obyek yang masif benda-benda ini akan beterbangan, atau minimal akan bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih lambat karena yang menentukan bagaimana mereka berputar adalah berapa besar massa yang ada di dalam orbitnya.

Jadi, ini bagus sekali, karena ingat tugas saya adalah menunjukkan bahwa ada massa begitu besar dalam volume kecil. Jadi, jika saya tahu berapa cepat benda itu bergerak, saya tahu massanya. Dan jika saya tahu skala orbitnya, saya tahu radiusnya. Jadi, saya ingin melihat bintang-bintang yang sedekat mungkin ke pusat galaksi. Karena saya ingin menunjukkan ada suatu massa di dalam daerah sekecil mungkin. Jadi, ini berarti saya ingin melihat sebanyak mungkin detil. Dan inilah alasan untuk eksperimen ini kami gunakan teleskop terbesar di dunia.

Ini adalah observatorium Keck. Ada dua teleskop di tempat ini dengan cermin 10 meter, yang kira-kira sebesar lapangan tenis. Nah, Ini bagus sekali Karena teleskop besar menjanjikan semakin besar teleskopnya semakin kecil detil yang dapat kita lihat. Tapi ternyata teleskop ini, atau teleskop mana saja di Bumi mengalami kesulitan untuk memenuhi janjinya. Dan itu karena atmosfir. Atmosfir sangat penting untuk kita; karena atmosfir kita dapat bertahan hidup di Bumi Tapi atmosfir menyulitkan astronom yang ingin melihat sumber-sumber astronomi menembus atmosfir.

Jadi, supaya anda bisa membayangkan seperti apa, ini seperti melihat sebuah kerikil di dasar sungai. Melihat kerikil di dasar sungai, sungai yang senantiasa mengalir dan bergolak, dan ini sangat menyulitkan untuk melihat kerikil itu di dasar sungai. Tidak berbeda halnya, sangatlah sulit untuk melihat sumber astronomi karena atmosfir yang senantiasa bergolak.

Jadi selama karir saya, saya banyak bekerja untuk mencari cara untuk mengkoreksi atmosfir, agar dapat melihat lebih jernih. Dan hasilnya kira-kira faktor perbaikan sebesar 20. Dan saya pikir kita semua setuju jika kita bisa mencari cara meningkatkan hidup dengan faktor 20 anda mungkin telah meningkatkan gaya hidup anda jauh sekali, mungkin gaji anda, anda akan sadari, atau anak-anak anda, anda akan sadari

Dan animasi ini menampilkan satu contoh teknik yang kami gunakan, yang disebut optik adaptif. Anda tengah melihat animasi contoh dari yang anda akan lihat jika anda tidak menggunakan teknik ini. Dalam kata lain, hanya sebuah gambar berisi bintang-bintang. Dan kotak di tengah-tengah pusat galaksi itu, adalah tempat kami kira lubang hitam berada. Jadi, tanpa teknologi ini, anda tidak dapat melihat bintang-bintang itu. Dengan teknologi ini, tiba-tiba anda dapat melihatnya. Teknologi ini bekerja dengan menempatkan sebuah cermin ke dalam sistem optik teleskop yang senantiasa berubah untuk mengimbangi perubahan dalam atmosfir. Jadi, semacam kacamata yang mewah untuk teleskop anda.

Nah, dalam beberapa gambar berikut saya ingin fokus kepada kotak kecil di situ. Jadi, kita hanya akan melihat bintang-bintang di dalam kotak kecil itu, walaupun kita telah melihat semuanya. Saya ingin melihat bagaimana benda-benda ini bergerak. Dan selama eksperimen, bintang-bintang ini telah bergerak sedemikian jauh. Kami telah melakukan eksperimen ini selama 15 tahun, dan kami melihat bintang-bintang itu berkeliling.

Umumnya astronom memiliki sebuah bintang favorit, dan hari ini bintang favorit saya adalah yang berlabel SO-2 di sana. Benar-benar bintang favorit saya di seluruh dunia. Dan itu karena bintang ini berkeliling hanya dalam 15 tahun. Dan agar anda mengerti betapa cepatnya, Matahari perlu 200 juta tahun untuk mengelilingi pusat galaksi. Bintang-bintang yang kita ketahui di atas, yang berada paling dekat ke pusat galaksi perlu waktu 500 tahun. Dan yang satu ini, bintang ini mengelilingi pusat galaksi dalam umur hidup manusia. Sesuatu yang sangat menakjubkan.

Tapi inilah kunci eksperiman ini. Orbit bintang itu menunjukkan besar massa yang terdapat di dalam radius teramat kecil itu. Lalu, kita lihat gambar ini yang menunjukkan, sebelum eksperimen ini, seberapa besar massa dari pusat galaksi dapat dipampatkan. Yang kita ketahui sebelumnya adalah ada empat juta kali massa Matahari di dalam lingkaran itu. Dan seperti yang anda dapat lihat, ada banyak benda lain di dalam lingkaran itu. Anda dapat melihat banyak bintang. Jadi, sebenarnya ada banyak alternatif selain gagasan mengenai lubang hitam supermasif di pusat galaksi, karena anda dapat menaruh begitu banyak benda di situ.

Tapi dengan eksperimen ini, kami telah mempatkan massa yang sama ke dalam volume yang jauh lebih kecil, yaitu 10 ribu kali lebih kecil. Dan karena itu, kami dapat menunjukkan bahwa ada lubang hitam supermasif di sana. Supaya anda dapat membayangkan betapa kecilnya, volume itu seukuran dengan tata surya kita. Jadi kita menjejalkan empat juta kali massa Matahari ke dalam volume yang kecil.

Persis seperti yang diiklankan, bukan? Saya sudah katakan bahwa tugas saya adalah menciutkannya ke dalam radius Schwarzchild. Dan sejujurnya, saya belum sampai kesana. Tapi saat ini sebenarnya kita tidak punya alternatif untuk menjelaskan konsentrasi massa tersebut. Dan, kenyataanya, inilah bukti paling baik yang kita miliki sekarang bukan hanya mengenai keberadaan lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita sendiri, tapi di galaksi manapun di alam semesta ini. Jadi selanjutnya apa? Saya pikir ini adalah yang terbaik yang dapat kita lakukan dengan teknologi masa kini, jadi mari kita lanjutkan dengan masalah ini.

Jadi, yang ingin saya katakan kepada anda, secara singkat adalah sedikit contoh dari kegemparan yang dapat kita lakukan saat ini di pusat galaksi, sekarang kita tahu ada, paling tidak kita yakin, bahwa ada lubang hitam supermasif di sana. Dan fase yang menyenangkan dari eksperimen ini adalah ketika kita menguji sebagian ide kita mengenai konsekuensi sebuah lubang hitam supermasif yang berada di pusat galaksi kita, hampir semuanya, ternyata, tidak konsisten dengan apa yang kita amati. Dan itu menyenangkan.

Jadi, saya akan memberi anda dua contoh. Anda dapat bertanya, "Apa yang kamu harapkan dari bintang tua, bintang-bintang yang telah berada di pusat galaksi sedemikian lama, mereka punya banyak waktu untuk berinteraksi dengan lubang hitam." Yang anda harapkan adalah bintang-bintang tua itu seharusnya sangat berkelompok di sekeliling lubang hitam. Anda mestinya melihat banyak bintang tua di dekat lubang hitam.

Demikian juga, bintang-bintang muda, sebaliknya, bintang-bintang muda itu, semestinya mereka tidak ada di sana. Lubang hitam bukanlah tetangga yang baik untuk ruang bayi para bintang. Agar bintang dapat terbentuk, anda perlu sebuah bola besar gas dan debu yang runtuh. Dan bola besar itu adalah entitas yang sangat rapuh. Dan apa yang dilakukan lubang hitam? Lubang hitam mencabik awan gas itu. Gaya tarik lubang hitam jauh lebih besar di satu sisi dibanding yang lain sehingga awan itu tercabik. Kami menyangka bintang tidak mungkin terbentuk dalam lingkungan seperti itu.

Jadi, anda semestinya tidak melihat bintang-bintang muda. Lalu, apa yang kita lihat? Dengan pengamatan yang tidak seperti saya tunjukkan hari ini, kita dapat melihat bintang mana yang tua dan mana yang muda. Bintang-bintang tua berwarna merah. Yang muda berwarna biru. Dan yang kuning, kita belum tahu. Jadi anda bisa lihat kejutannya. Hanya ada sedikit bintang tua. Ada banyak bintang-bintang muda, jadi kebalikan dari perkiraan.

Jadi, inilah bagian yang menyenangkan. Dan nyatanya, sekarang, inilah yang kita coba untuk mengerti, misteri darimana anda mendapat -- bagaimana anda menjelaskan kontradiksi ini. Sesungguhnya, mahasiswa saya, saat ini, hari ini, sedang berada di teleskop di Hawaii melakukan observasi yang diharapkan dapat membawa kita ke tingkat selanjutnya, sehingga kita dapat membahas pertanyaan kenapa ada banyak bintang-bintang muda, dan hanya sedikit bintang-bintang tua. Untuk melangkah lebih jauh kita mesti melihat orbit dari bintang-bintang yang lebih jauh lagi. Untuk kita kita mungkin perlu teknologi yang jauh lebih maju dari yang kita miliki sekarang.

Karena, sebenarnya, ketika saya katakan kita mengkoreksi atmosfir Bumi, sebenarnya kita hanya mengkoreksi setengah saja dari kesalahan yang terjadi. Kami melakukannya dengan menembakkan laser ke atmosfir, dan yang kami pikir dapat dilakukan adalah jika kami dapat menembakkan sedikit lebih banyak laser kami bisa mengoreksi setengah lainnya. Inilah yang kami harap dapat lakukan dalam beberapa tahun mendatang. Dan dalam jangka yang lebih lama, yang kami harapkan adalah membangun teleskop yang lebih besar, karena, ingat, dalam astronomi, makin besar makin bagus.

Jadi, kami ingin membangun teleskop berukuran 30 meter. Dan dengan teleskop ini kita dapat melihat bintang-bintang yang bahkan lebih dekat ke pusat galaksi. Dan kami berharap dapat meguji sebagian dari teori relativitas umum Einstein, gagasan tertentu kosmologi mengenai terbentuknya galaksi. Jadi, kami pikir masa depan eksperimen ini sungguh menggairahkan.

Jadi sebagai penutup, saya akan tunjukkan semuah animasi yang menampilkan bagaimana orbit itu bergerak, dalam tiga dimensi. Dan saya berharap, paling tidak, saya telah meyakinkan anda bahwa, satu, kita sesungguhnya memiliki lubang hitam supermasif di pusat galaksi. Dan ini berarti bahwa lubang hitam memang ada di alam semesti kita ini, dan kita mesti membahasnya, kita mesti menjelaskan bagaimana obyek ini dapat terbentuk di dunia fisik kita.

Dua, kita telah dapat mengamati interaksinya bagaimana lubang hitam supermasif berinteraksi, dan mengerti, mungkin, peranan lubang hitam dalam membentuk galaksi, dan bagaimana mereka bekerja.

Dan terakhir, tapi tidak kurang pentingnya, tidak satupun hal tadi dapat terjadi tanpa hadirnya kemajuan luar biasa yang telah dicapai dalam bidang teknologi. Dan kami pikir teknologi adalah bidang yang bergerak sangat cepat, dan menyimpan lebih banyak hal lagi di masa depan. Terima kasih banyak. (Tepuk tangan)